基于OSG的油藏三維可視化系統(tǒng)研究

申 皓 ，劉青昆 ，龔蔚青

（1.遼寧師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院,遼寧 大連116081;(2.中石化石油勘探開發(fā)研究院,北京100083)

將三維可視化技術(shù)應(yīng)用于石油勘探領(lǐng)域，可以把測(cè)井、地震等復(fù)雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直觀的圖形圖像，以真三維的形式形象地表達(dá)地下油藏構(gòu)造的形態(tài)特征、儲(chǔ)層物性參數(shù)的分布規(guī)律及已完鉆井的分布[1]。這樣有助于地質(zhì)勘探人員更準(zhǔn)確地解釋和分析勘探成果，為后續(xù)發(fā)現(xiàn)剩余、隱蔽油藏、設(shè)計(jì)新井開發(fā)方案等工作提供有效決策支持。

OSG(OpenSceneGraph)是一個(gè)面向?qū)ο蟮母咝ч_源 3D視景仿真開發(fā)包，其包含了豐富的類庫(kù)，操作靈活，功能強(qiáng)大，性能優(yōu)越，資源豐富[2-3]。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于OSG的油藏三維模型可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠進(jìn)行模型漫游、縮放和任意剖切等交互操作。同時(shí)重點(diǎn)研究了段內(nèi)插值和坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法,實(shí)現(xiàn)了三維油藏模型彩色顯示,提高了模型顯示效果。

1 油藏三維可視化系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

油藏三維可視化系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)層、平臺(tái)驅(qū)動(dòng)層和用戶交互層。數(shù)據(jù)層主要對(duì)原始測(cè)井或地震數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和加載，通過(guò)插值法進(jìn)行油藏網(wǎng)格建模，為三維可視化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。平臺(tái)驅(qū)動(dòng)層主要通過(guò)OSG對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染、繪制，為使用者提供一個(gè)實(shí)時(shí)、直觀的三維可視化立體環(huán)境。用戶交互層主要根據(jù)用戶的具體應(yīng)用需求，基于可視化平臺(tái)驅(qū)動(dòng)引擎，實(shí)現(xiàn)油藏模型在三維立體環(huán)境下的漫游、縮放和任意剖切等交互功能。三維油藏模型可視化層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)基本功能

1.2.1 油藏模型的建立

在三維油藏地質(zhì)建模或油藏?cái)?shù)值模擬過(guò)程中，需要將地質(zhì)體以網(wǎng)格化的形式加以建模[4]。因?yàn)閺牡刭|(zhì)勘探或其他方式獲取的數(shù)據(jù)通常是有限的、離散不連續(xù)的，所以不論是原始的采樣數(shù)據(jù)還是規(guī)則化處理的空間點(diǎn)數(shù)據(jù)，都具有明顯的離散性和稀疏性。因此，需要采用適當(dāng)?shù)牟逯邓惴▽⑷S空間各離散點(diǎn)上的數(shù)據(jù)內(nèi)插到各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上。本系統(tǒng)提供了反距離加權(quán)、普通克里金等空間插值方法供用戶選擇。圖2是系統(tǒng)生成油藏網(wǎng)格模型結(jié)構(gòu)圖（以井?dāng)?shù)據(jù)為例）。

圖1 三維油藏模型可視化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

圖2 油藏網(wǎng)格模型生成結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 三維漫游、收縮、移動(dòng)

OSG提供的軌跡球漫游器 (Trackball Manipulator)能夠接受鼠標(biāo)事件，變換相機(jī)位置和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等操作，其操作簡(jiǎn)單，便于快速、直觀、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景漫游[5]。本系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用OSG操作器管理類成員函數(shù) addMatrixManipulator()、selectMatrixManipulator()，實(shí)現(xiàn)了模型漫游、旋轉(zhuǎn)和收縮等功能。

1.2.3 三維剖切顯示

通過(guò)提供剖切工具，可以對(duì)油藏模型進(jìn)行任意剖切，生成剖切面，這樣能夠清楚地顯示油藏模型的內(nèi)部構(gòu)造和屬性分布等細(xì)節(jié)。本系統(tǒng)利用OSG提供的剖切面類，通過(guò)調(diào)用其成員函數(shù) ClipPlane()、SetStateSet()，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維油藏模型的任意剖切。

2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 油藏模型彩色顯示

用顏色的漸變來(lái)表示儲(chǔ)層深度的變化或者屬性值的大小，可以直觀反映三維地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)和其內(nèi)部不同屬性(孔、滲、飽等)參數(shù)的分布規(guī)律。系統(tǒng)直接使用模型中每個(gè)網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的物性參數(shù)值，通過(guò)區(qū)間段內(nèi)插值法，將物性值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的R、G、B分量，以此作為每個(gè)對(duì)應(yīng)網(wǎng)格的顏色值。然后將每個(gè)網(wǎng)格的8個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的顏色值一同送入OSG，繪制出三維油藏彩色模型。通過(guò)此種方法繪制的油藏模型能直接反映油藏的真實(shí)情況。

以物性參數(shù) 孔隙度(poro)為例，線段 端點(diǎn) P0、P1、P2、P3分別表示當(dāng)前模型所有孔隙度數(shù)據(jù)中最小值vmin、中間值 vmin+(vmax-vmin)×1/3、vmin+(vmax-vmin)×2/3 和最大值 vmax，求取從最小值到最大值的所有中間位置值Value對(duì)應(yīng)的漸變顏色值,這樣獲取不同的漸變顏色效果如圖3所示。

圖3 物性參數(shù)與顏色像素對(duì)應(yīng)圖

求某一孔隙度對(duì)應(yīng)的顏色值，假設(shè) Pporo∈(P2，P3)，段內(nèi)插值為：

獲取 P2、P3對(duì)應(yīng)的顏色值 YELLOW、RED，并算出它們的 R、G、B分量：

獲取 poro對(duì)應(yīng)像素值的 R、G、B值：

通過(guò)式(1)～式(10)求出的 R、G、B分量代表了物性參數(shù)的顏色，根據(jù)一系列的顏色值，系統(tǒng)可以繪制出彩色三維油藏模型。

2.2 油藏網(wǎng)格模型光滑顯示

油藏網(wǎng)格數(shù)據(jù)坐標(biāo)為浮點(diǎn)數(shù)形式，浮點(diǎn)數(shù)精度越高運(yùn)算速度越低。因此，在OSG中采用32位單精度浮點(diǎn)數(shù)。但32位float類型數(shù)據(jù)在內(nèi)存中能精確表示的最大有效數(shù)字為 1.111 111 111 111 111 111 111 11×223=224-1=16 777 215。當(dāng)有效數(shù)字大于16 777 215時(shí)，在內(nèi)存中則無(wú)法精確表示。

油藏網(wǎng)格頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)使用大地坐標(biāo) (單位為m)，它由一個(gè)8位的橫坐標(biāo)和一個(gè)7位的縱坐標(biāo)組成如(18 722 687.81，3 946 747.76),坐標(biāo)數(shù)據(jù)中前兩位表示分帶號(hào),用float單精度類型表示坐標(biāo)數(shù)據(jù),則值為(18 722 688，3 946 748)。可見在油藏網(wǎng)格模型中，最終獲取的大地坐標(biāo)存在精度缺失問(wèn)題，當(dāng)油藏模型旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)和縮放時(shí)，計(jì)算機(jī)對(duì)這些不精確的網(wǎng)格頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行大量矩陣運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果存在更大的誤差，可能使兩個(gè)相鄰點(diǎn)運(yùn)算后成為一個(gè)點(diǎn),或者平面的4個(gè)點(diǎn)成為一條直線,因此造成網(wǎng)格不規(guī)則,出現(xiàn)“突然閃現(xiàn)”或“跳躍”現(xiàn)象。

針對(duì)該問(wèn)題，本文提出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法使油藏模型可以光滑顯示,在網(wǎng)格頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)送入OSG前進(jìn)行頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即：

通過(guò)式(11)運(yùn)算得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中可以精確表示，避免了坐標(biāo)精度缺失問(wèn)題，即避免了“突然閃現(xiàn)”或“跳躍”現(xiàn)象的出現(xiàn)，同時(shí)轉(zhuǎn)換后的新坐標(biāo)數(shù)據(jù)為相對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，不影響顯示的正確性。

3 實(shí)例應(yīng)用

本系統(tǒng)采用中石化勝利油田實(shí)際區(qū)塊數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化測(cè)試，通過(guò)鼠標(biāo)控制進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放和剖切等操作。首先給出如圖4所示的系統(tǒng)未采用光滑顯示技術(shù)的模型效果圖，接著給出改進(jìn)后的系統(tǒng)繪制的模型效果圖，運(yùn)行時(shí)，模型真實(shí)逼真且顯示效果良好,如圖5～圖7所示。

圖4 未經(jīng)改進(jìn)運(yùn)行效果圖

圖5 改進(jìn)后運(yùn)行效果圖

圖6 孔隙度模型圖

本系統(tǒng)充分利用了OSG的特點(diǎn)和功能，同時(shí)研究了繪制彩色模型和提高顯示效果等技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了油藏三維模型的可視化。該系統(tǒng)為地質(zhì)勘探人員提供了一個(gè)直觀的油藏三維可視化交互環(huán)境，可有效地輔助開展勘探數(shù)據(jù)解釋、地質(zhì)構(gòu)造研究等工作。

圖7 模型剖切圖

[1]朱大培，牛文杰，楊欽,等.地質(zhì)構(gòu)造的三維可視化[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，27(4)：448-451.

[2]閻曉東.基于OSG的飛行視景仿真平臺(tái)開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2008，25(5)：58-61.

[3]華文元，王家潤(rùn)，康亮，等.基于 OSG五維氣象可視化軟件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30(5)：1282-1284.

[4]韓峻，施法中，吳勝和，等.基于格架模型的角點(diǎn)網(wǎng)格生成算法[J].計(jì)算機(jī)工程，2008，34(4):90-93.

[5]張昊.基于OSG的道路三維實(shí)時(shí)交互可視化技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2010.